BREVE HISTORIA DEL ADN, SU ESTRUCTURA Y FUNCIóN

Transcripción

Breve historia del ADN,
su estructura y función
Palabras clave: Genética, Leyes de Mendel, ADN, Difracción de Rayos-X, Biología Molecular.
Key words: Genetics, Mendel’s Laws, DNA, X-ray Diffraction, Molecular Biology.
Durante 2012 se celebraron dos acontecimientos científicos
Oscar E. Piro
relacionados. Uno de ellos es el Centenario de un descubrimiento
cardinal de la Física, esto es el fenómeno de difracción de rayos-X
Departamento de Física e Instituto de Física
por cristales, realizado por Walter Friedrich, Paul Knipping y Max von
La Plata (CONICET), Facultad de Ciencias Exactas,
Universidad Nacional de La Plata, CC 67, 1900
Laue. La instrumentación e interpretación de este fenómeno por el
La Plata, Argentina.
trabajo pionero de William Henry Bragg y su hijo William Lawrence
Bragg inició el desarrollo de los hoy poderosos métodos de análisis
[email protected]
estructural. Dichos métodos estructurales por difracción de rayos-X
resultarían clave en el otro acontecimiento que se conmemoró en
2012: el Cincuentenario del Premio Nobel en Fisiología o Medicina otorgado a Francis Crick, James Watson y Maurice
Wilkins por sus trabajos de 1953 sobre la estructura molecular del ácido desoxirribonucleico (ADN), la sustancia de la
herencia, un hallazgo fundamental para el entendimiento del fenómeno natural más extraordinario: la Vida. A sesenta años
de la culminación de aquellos trabajos, hacemos aquí una descripción sucinta de los eventos que desembocaron en uno de
los descubrimientos científicos más importantes del siglo XX.
“En el campo de las observaciones, la suerte favorece sólo a la mente preparada”.
Louis Pasteur.
During 2012 two related scientific breakthroughs were celebrated. One of them was the Centennial of a cardinal discovery in
Physics, namely the X-ray diffraction by crystals, by Walter Friedrich, Paul Knipping and Max von Laue. The instrumentation
and interpretation of this phenomenon by the pioneer work of William Henry Bragg and his son William Lawrence Bragg paved
the way for the development of the today powerful methods of structural analysis. These X-ray diffraction methods would
play a key role in the other discovery celebrated in 2012: the fifty years of the Nobel Prize in Physiology or Medicine awarded
to Francis Crick, James Watson and Maurice Wilkins for their work of 1953 on the molecular structure of deoxyribonucleic
acid (DNA), the substance of the heredity, a fundamental finding for the understanding of the most extraordinary natural
phenomena: Life. In the sixtieth anniversary of the culmination of those works, we succinctly describe here the events that
lead to one of the major scientific discoveries of the twentieth century.
“In the field of the observations, luck only favors the prepared minds”.
Louis Pasteur.
 Parte 1. Brevísima historia de la Genética clásica
hasta inicios de los 1950’s
1.1 Pre-historia de la Genética.
A pesar que se trata de una disciplina científica con sólo unos 150
años de desarrollo, el interés en los
fenómenos biológicos relacionados
con la Genética puede remontarse a la Era Neolítica (alrededor de
10.700 a 9.400 AC) cuando el crecimiento de la población demandó
cambios en los métodos ancestrales
para la obtención de alimentos mediante la recolección, caza y pesca.
Entonces, dio comienzo (principalmente en Medio Oriente) el desarrollo de la agricultura y la ganadería
con la siembra de plantas y la cría
de animales domésticos (Pierce,
2007). Pronto se descubre que se
pueden modificar los cultivos y los
animales mediante su reproducción
selectiva cuando rasgos (fenotipos)
deseables de los progenitores eran
transmitidos a su descendencia (herencia).
En paralelo y desde tiempos re-
motos, ya se habían observados dichos fenómeno de herencia en los
humanos y el describir y entender
sus mecanismos en Occidente ocupó la mente de los filósofos griegos.
Entre ellos, Leucipo de Mileto (Siglo
V AC), Anaxágoras (500-428 AC) y
Demócrito (460-370 AC) notaron
que virtualmente todas las partes
del cuerpo exhiben diferencias hereditarias. Así concluyeron que cada
órgano y estructura del cuerpo producía pequeños sedimentos (más
tarde llamados gémulas) que por vía
sanguínea llegaban a los órganos reproductores desde donde eran pasa-
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dos al embrión en el momento de la
concepción (ver Fig. 1). En el marco
de este concepto, que más tarde se
conocería como pangénesis, Anaxágoras creía que un perfectamente
preformado y diminuto humano (homúnculo) preexistía en el aparato reproductor masculino y era transmitido a la madre durante la procreación para su desarrollo embrionario
en la matriz (Guttman et alt., 2004).
Por aquella época se creía que
sólo el hombre contribuía a la herencia de sus descendientes y también que podía transmitir caracteres
adquiridos durante su vida a dicha
progenie. El filósofo griego Aristóteles (384-322 AC) adhirió a este último concepto pero creía que ambos
sexos contribuían a los rasgos de
CIENCIA E INVESTIGACIÓN - TOMO 64 Nº 3 - 2014
la descendencia, considerando por
lo tanto incorrecta la hipótesis del
homúnculo. Rechazó también el
concepto de pangénesis, señalando,
además, que a veces la gente se parece más a sus ancestros que a sus
propios padres.
A pesar que durante la Antigua
Roma (hasta la caída del Imperio
Romano de Occidente en 476 AD)
se contribuyó poco al entendimiento
de la herencia, durante ese período
se desarrollaron exitosamente por el
método de prueba y error un cierto
número de técnicas de cría de animales y de crecimiento de plantas.
Se avanzaría muy poco en el entendimiento de la Genética durante los
próximos 1000 años. Las antiguas
ideas erróneas sobre pangénesis y
herencia de caracteres adquiridos,
junto con las técnicas empíricas de
cría de animales y plantas, sobrevivirían durante el surgimiento de la
ciencia moderna en los siglos XVII
y XVIII de nuestra era, llegando a
tener gran influencia hasta fines del
siglo XIX (Guttman et alt., 2004).
1.2. Avances del siglo XVII.
Biología más allá de la resolución del ojo humano
Empleando los primeros microscopios, en 1665 Robert Hooke (naturalista inglés, 1635-1703) estudiaba el origen de la baja densidad del
corcho mediante la observación de
delgadas láminas. Allí descubre que
el vegetal está constituido por celdas
organizadas espacialmente de una
manera similar a un panal de abejas.
No pudo demostrar el significado
biológico de estas celdillas en los
seres vivos, por cuanto lo que estaba
observando eran células vegetales
muertas que retenían su característica forma poligonal.
Antón van Leeuwenhoek (fabricante de lentes holandés, 16321723) fue probablemente la primera persona en observar bacterias
(organismos unicelulares) y otros
microorganismos. En 1674 observa protozoarios; en 1677 descubre
los espermatozoides humanos y de
otros animales (a los que llamó animáculos). Entusiastas practicantes
de la microscopía durante esa época creyeron ver que un minúsculo
homúnculo reside en el espermatozoide humano, reavivando antiguas
creencias en preformacionismo de
hace más de 2000 años (ver Fig. 2)
Figura 1: Antiguo concepto de herencia a través de la pangénesis (a)
comparado con la moderna teoría del plasma germinativo (b). Figura
adaptada de Pierce (2007).
Durante la misma década de los
1670’s, Régnier de Graaf (médico y
anatomista holandés, 1641-1673)
describió por primera vez el folículo
ovárico, la estructura en la cual se
forman los ovocitos, células precursoras del óvulo humano. Aunque el
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Breve historia del ADN, su estructura y función
óvulo real no se visualizó hasta pasados otros 150 años, su existencia
fue rápidamente aceptada. De hecho, de Graaf atrajo a una escuela
de adeptos, liderados por Marcello
Malpighi (anatomista y biólogo Italiano, 1628-1694), llamados ovistas,
que creían que era el óvulo femenino el que contenía el futuro ser humano y no el espermatozoide como
sostenía la escuela que se dio a llamar animalculista o espermista. ¡La
controversia entre las dos escuelas
se extendió por décadas!
Otra noción previa al desarrollo
científico de la genética establecía
equivocadamente que la descendencia adquiría una herencia mezcla de los caracteres aportados por
los padres.
1.3. Descubrimientos genéticos del siglo XIX. Leyes de
Mendel sobre la herencia
Karl Reinhold Ernst von Baer (naturalista alemán del Báltico, 17921876) descubre en 1827 los óvulos
mamíferos, cuya existencia fue predicha por Régnier de Graaf unos 150
años antes.
Robert Brown (botánico escocés,
1773-1858) describe en 1831 el núcleo de células eucariotas.
Matthias Jakob Schleiden (botánico alemán, 1804-1881) y su compatriota Friedrich Theodor Schwann
(naturalista, 1810-1882) establecen
en 1839 la teoría celular: todos los
animales y plantas consisten en
agregados de células, las que constituyen la mínima unidad de vida.
Proponen que todo organismo comienza con una única célula y que
las criaturas multicelulares se forman por sucesivas divisiones celulares (ver Fig. 3).
Charles Darwin (naturalista inglés, 1809-1882) enuncia en 1859
su famosa teoría sobre el origen y
evolución de las especies. Darwin
adoptó el modelo de pangénesis
para la herencia, lo que le impidió
desarrollar la base genética subyacente en su teoría de la evolución a
través de la selección natural.
Gregor Johann Mendel (monje católico y naturalista austríaco,
1822-1884) establece en 1865 las
leyes de la herencia, fundando la
Figura 2: Grabado de 1694 mostrando un homúnculo en la cabeza de un espermatozoide humano.
Figura 3: Esquema moderno de la estructura celular de plantas (izquierda) y animales (derecha).
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disciplina científica de la Genética. Los trabajos de Mendel durante
el período 1856-1863 precisan y
cuantifican resultados de sus predecesores, valiéndose de i) Numerosos
y precisamente controlados experimentos de fertilización cruzada
entre diversas variedades de arvejas
(usó unas 28.000 plantas) con siete
bien determinadas características fenotípicas, tales como el color (amarillas o verdes) y la textura (lisas o
rugosas) de las semillas, el color de
las flores (blancas o púrpuras), etc.
ii) Seguimiento de los patrones de
herencia a lo largo de varias generaciones y iii) Empleo de conceptos
simples de matemática combinatoria y estadística para derivar las leyes
de la herencia.
Mendel trabajó con variedades
‘puras’ de arvejas con respecto a
un dado rasgo (fenotipo): cruzadas
entre sí a lo largo de varias generaciones mostraban consistentemente
siempre el mismo fenotipo. Cada
experimento consistió en cruzar
genéticamente entre sí dos de tales
variedades puras que difieren en
sólo uno de las siete características
fenotípicas seleccionadas (monohibridización). Las plantas híbridas
resultantes pueden exhibir cierta
combinación de rasgos que fueron
seguidos en posteriores cruzamientos. Ejemplifiquemos esto con la experiencia donde Mendel cruzó una
variedad pura de arvejas de semillas
verdes con la correspondiente variedad pura de semillas amarillas mediante la remoción del aparato polinizador de cada planta de un tipo
seguido de su fertilización manual
mediante polen extraído de la variedad opuesta, obteniendo el siguiente patrón (Guttman et alt., 2004):
P Amarillo x verde
ò
F1 Todas amarillas (se cruzan en sí)
ò
F2 Mayoría amarillas, algunas verdes
Donde
P: Generación parental
F1: Primera generación filial
F2: Segunda generación filial
A pesar que las ideas previas de
herencia mixta predecían que los híbridos F1 deberían presentar un color intermedio verde-amarillento, sin
embargo la experiencia mostró que
todas las semillas resultaron amarillas, como si el rasgo verde ¡hubiera
desaparecido! Sorprendentemente,
en la generación siguiente F2, obtenida por cruce de la F1 entre sí, ¡las
semillas verdes (a pesar que en menor proporción) reaparecieron!
Los otros rasgos estudiados por
Mendel siguieron el mismo patrón.
Así al repetir sus experimentos comenzando con sendas variedades
puras de arvejas con flores púrpuras
y blancas, observó sólo flores púrpuras en la generación F1 (no una intermedia violeta) y la reaparición de
flores blancas en la generación F2.
Cuantitativamente, en el caso del
seguimiento del color de las semillas, Mendel obtuvo en F2 6022 amarillas y 2001 verdes. En el caso del
seguimiento del color de las flores,
obtuvo en la generación F2 705 púrpuras y 224 blancas. Mendel notó
que ambos conjuntos de números
presentan un radio muy próximo a
3:1. La explicación de esta observa-
ción lo llevaría a la elaboración de
un modelo hipotético y al enunciado de su primera ley de segregación.
El modelo de Mendel postulaba que las plantas contienen factores que determinan la herencia
de cada rasgo de las mismas y que
cada planta porta un par de factores
hereditarios por cada rasgo, respectivamente suministrados por ambos
progenitores. Además, él postuló
que cuando la planta posee dos
factores diferentes, uno de ellos es
dominante (su efecto fenotípico es
visible) mientras que el otro es recesivo (su efecto no se manifiesta).
Así, el color amarillo de las semillas
de arveja debe ser dominante, mientras que el verde es recesivo; el color
púrpura de las flores es dominante
frente al color blanco. En Genética,
se acostumbra simbolizar un factor
hereditario dominante con una letra
mayúscula (por ejemplo Y) y el correspondiente recesivo con la letra
minúscula correspondiente (y). Modernamente, identificamos estos dos
factores como formas de un solo gen
(que determina ya sea el color de las
semillas o el de las flores) y que llamamos alelos uno de otro.
La Figura 4 muestra la explicación de los resultados experimentales de Mendel, basada en su modelo. Su variedad pura conteniendo
semillas amarillas deben portar dos
factores dominantes Y (YY), mientras que la variedad pura de semillas
verdes debe contener dos factores
recesivos y (yy). Dado que ambos
factores en estas variedades son los
mismos, se los llama homocigóticos
o se dice que las plantas son homocigotas. Cada una de las plantas
contribuye un factor determinante
del color, así que todas las plantas F1
son Yy; dado que ellas portan diferente factores, estas plantas son heterocigotas. Cuando se reproducen
mediante cruce entre ellas, cada una
produce dos tipos de gametas, la mi-
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proporciones iguales.
Además de su trabajo en monohíbridos, Mendel también realizó
cruzamientos entre variedades puras
de arvejas con respecto a dos rasgos
característicos (doble hibridización).
Por ejemplo, creció una variedad
homocigota de arvejas que producían semillas lisas (factor RR) y amarillas (YY) dominantes y también otra
variedad homocigota que producía
semillas rugosas (rr) y verdes (yy) recesivas. Al cruzar estas dos variedades entre sí observó que toda la progenie F1 consistía en semillas lisas y
amarillas. Luego procedió a cruzar
la progenie F1 entre sí para obtener
en la subsecuente generación F2 la
siguiente distribución: 315 semillas
lisas y amarillas; 101 rugosas y amarillas; 108 lisas y verdes; y 32 rugosas y verdes. Mendel observó que
estos fenotipos guardaban entre sí
aproximadamente las proporciones
9:3:3:1 (Pierce, 2007).
Figura 4: Experimentos de Mendel de mono-hibridización. La llamada
tabla de Punnett de la parte inferior indica en los laterales las fracciones
de gametas (haploides) de polen y óvulo portando los alelos Y e y. En el
cuadro de 2 x 2 se indica el resultado de la combinación de estos alelos
al azar producida por la fusión de las gametas durante la auto-fecundación de la generación F1 para formar las células cigotas (diploides) de la
generación F2. Figura adaptada de Guttman et alt. (2004).
tad portando el alelo Y y la otra mitad el alelo y. Estas gametas se combinan al azar durante la fecundación
para producir una de cuatro posibles
combinaciones: YY, Yy, yY, o yy.
Sólo la última (que posee dos factores y recesivos) es verde; las otras
tres conteniendo el alelo dominante Y dan lugar a semillas amarillas,
de esta manera explicando la razón
amarillo/verde de 3:1 observada.
Las conclusiones de Mendel
acerca de la herencia derivadas de
sus cruzamientos mono-híbridos
han sido posteriormente desarrolladas y formalizadas en el principio de
segregación (Primera Ley de Mendel)
aplicable a toda reproducción sexuada. Este principio establece que
cada organismo diploide posee dos
alelos por cada rasgo característico
(fenotipo). Estos dos alelos se segregan (separan) durante la formación
de las gametas (haploide), yendo
cada alelo a diferentes gametas en
Mendel repitió estos cruces di-híbridos con otros pares tomados entre sus siete características fenotípicas para obtener siempre las mismas
proporciones 9:3:3:1. Este resultado puede entenderse en el marco
de los principios de segregación y
dominancia anteriores si se agrega un tercer principio, el de la recombinación independiente de los
factores (Segunda Ley de Mendel).
Este principio establece que alelos
que codifican diferentes rasgos fenotípicos se separan y se transmiten
independientemente entre sí. Esto
es, diferentes rasgos son heredados
independientemente unos de otros;
por lo tanto el patrón de herencia de
un rasgo no afectará al patrón de herencia de otro.
Mendel fue afortunado en seleccionar sus siete rasgos característicos en las plantas de arvejas. Ahora
se sabe que los genes correspondientes residen en cromosomas dis-
30
Walther Flemming (médico
y biólogo cito-genetista alemán,
1843-1905) publica primero en
1878 y luego en su libro seminal de
1882 sobre “Sustancia celular, núcleo y división celular” una descripción detallada de las diversas fases
durante el proceso de división celular (mitosis).
La meiosis es un tipo especial
de división celular necesaria en la
reproducción sexual de organismos
eucariotas (con células nucleadas).
Las células producidas por meiosis
se llaman gametas. En muchos organismos, incluyendo todos los animales y plantas terrestres (exceptuando
algunos otros grupos, tales como
los hongos), las gametas son llamadas también células espermáticas y
óvulos. La meiosis fue descubierta y
descripta por primera vez en 1876
por Oscar Hertwig (zoólogo alemán, 1849-1922). Fue descripta (a
nivel de cromosomas) nuevamente
en 1883 por Edouard Joseph Marie
Van Beneden (zoólogo belga, 18461910). Sin embargo, la relevancia
de la meiosis para la reproducción
y herencia fue descripta recién en
1890 por Friedrich Leopold August
Weismann (biólogo evolucionista
alemán, 1834-1914) quien notó que
se necesitan dos divisiones celulares
para transformar una célula diploide
en cuatro células haploides manteniendo el número de cromosomas.
Una descripción esquemática moderna de los procesos de mitosis y
meiosis se muestra en la Fig. 6.
Figura 5: Experimentos de Mendel de doble hibridización. Los híbridos
resultantes de la segunda generación F2 se encuentran compendiados en
la tabla de Punnett de la parte (c) de la figura (adaptada de Pierce, 2007).
tintos, una condición necesaria para
la estricta validez de su segunda ley.
Johan Friedrich Miescher (biólogo y médico suizo, 1844-1895)
identifica en 1868 el ADN como un
ácido débil constituyente químico
del núcleo de células eucariotas,
obtenidas de los glóbulos blancos
de la sangre en pus colectado en
hospitales.
Hacia fines del siglo XIX ya se reconocía que el núcleo celular contenía la información sobre la herencia.
1.4. Descubrimientos genéticos del siglo XX
Hugo de Vries (botánico holandés, 1848-1935), Carl Franz Joseph
Erich Correns (genetista y botánico
alemán, 1864-1933) y Erich von
31
Figura 6: Comparación esquemática de los procesos de mitosis y meiosis en células eucariotas. Por simplicidad
se ha considerado una célula madre diploide (2n) con sólo dos pares de cromosomas (n=2). Los colores azul
y rojo distinguen los cromosomas aportados a la célula madre por ambos progenitores. El ejemplo de meiosis
indicado corresponde al caso de la espermatogénesis animal donde por cada célula madre se producen cuatro
espermatozoides. En el caso equivalente de la ovogénesis femenina sólo se forma un óvulo con capacidad reproductiva por célula madre. Figura adaptada de Pierce (Pierce, 2007).
Tschermak-Seysenegg (agrónomo
austríaco, 1871-1962) re-descubren
independientemente en 1900 las Leyes de Mendel.
Walter Stanborough Sutton (médico y genetista estadounidense,
1877-1916) y Theodor Heinrich Boveri (biólogo alemán, 1862-1915),
independientemente, proponen en
el período 1902-1903 que las unidades de herencia (genes) están localizados en los cromosomas, integrados por ADN y proteínas (histonas).
La propuesta resultó controversial
hasta su confirmación en 1915 por
los trabajos de Thomas Hunt Morgan
(genetista estadounidense, 1866-
1945) sobre la herencia y cruce de
cromosomas parentales en la mosca
de la fruta (Drosophila melanogaster), siendo posteriormente reconocida como teoría cromosomática de
la herencia o teoría de Sutton-Boveri. La teoría identifica los cromosomas con los factores (alelos) apareados requeridos por las Leyes de
Mendel de la herencia. También establece que los cromosomas poseen
una estructura lineal con los genes
localizados en sitios específicos a lo
largo de ellos.
Durante el período 1909-1929,
Phoebus Aaron Theodore Levene
(médico y bioquímico ruso-esta-
dounidense, 1869-1940) determina
la estructura molecular y modo de
polimerización de los nucleótidos
en el ADN (ver Fig. 7). Cada monómero del polímero consiste de un
grupo fosfato (PO4) con uno de sus
oxígenos vinculados a un azúcar
deoxirribosa a través de su carbono
en la posición 5’ (enlace éster). La
polimerización se logra mediante
el enlace éster del C3’ de la ribosa
con un oxígeno del fosfato próximo sobre la cadena. Así resulta un
polímero con una orientación 3’5’ constante a lo largo del mismo.
Unida covalentemente al C1’ de la
deoxirribosa existe una de cuatro
bases nitrogenadas diferentes que
32
Figura 7: Estructura química de un poli-nucleótido de ADN.
caracterizan al nucleótido. Dos de
ellas son pirimídicas: citosina (C) y
timina (T), las otras dos purínicas:
adenina (A) y guanina (G).
Sin embargo, Levene formula
la hipótesis incorrecta que el ADN
consiste en tetra-nucleótidos CATG
repetidos
(…CATGCATGCATGCATG…), que en su momento desvío la consideración de los ácidos
nucleicos como sustrato para la información genética (formarían polímeros repetitivos ‘poco inteligentes’)
hacia las proteínas, otro importante
componente de todos los organismos. Como el ADN (¡y por profundas razones de biología molecular!)
las proteínas biológicas son polímeros lineales (no ramificados) cuyas
unidades monoméricas consisten en
uno de 20 posibles aminoácidos levógiros (L), tal como muestra la Fig.
8. De esta forma, en un polímero de
dimensión N dichos aminoácidos
pueden arreglarse en principio de
20N maneras diferentes, un número
muy grande aún para las proteínas
más pequeñas (para sólo N=4 ya se
tienen teóricamente ¡160.000 combinaciones diferentes!).
Por sus comparativamente sencillos sistemas genéticos y rápida reproducción, los genetistas comienzan en la década de 1940 a usar
virus capaces de infectar bacterias,
llamados bacteriófagos (que ´comen´ bacterias) o, simplemente, fagos, para estudiar la organización y
estructura de los genes. Algunos genetistas se organizan en el llamado
“Grupo de los Fagos”.
En 1928, Frederick Griffith (médico y genetista británico, 18791941) mostró que la virulencia de
la cepa Tipo III (S) de la bacteria
neumococo puede transferirse desde células muertas de esta cepa a la
cepa atenuada Tipo II (R) de bacterias vivas (Griffith, 1928). Basados
en este resultado, Oswald Theodore
Avery (médico e investigados canadiense, 1877–1955), Colin Munro
MacLeod (genetista canadiense-estadounidense, 1909-1972) y Maclyn
McCarty (genetista estadounidense,
1911–2005) en un experimento clave identifican en 1944 al ADN como
el material genético transferido (por
aquél entonces llamado “principio
transformador”), responsable por la
Figura 8: Vista de un polímero integrado por aminoácidos. R indica uno de 20 posibles grupos químicos laterales. Los aminoácidos se conectan entre sí vía un enlace peptídico C-N que (por ser parcialmente doble) no
puede rotar, lo que determina la planaridad molecular indicada. Los enlaces simples N-Cα y Cα-C, en cambio,
pueden rotar (ángulos de torsión ϕ y ψ) libremente, sujetos a impedimentos estéricos. Los valores de ϕ y ψ a
lo largo de la cadena determinan la conformación espacial de la proteína. Por referencia, se incluyen algunas
distancias de enlace (1Å=10-8 cm). Figura adaptada de Lehninger, Nelson & Cox, 2005.
virulencia del neumococo Tipo III
(Avery, MacLeod & Mccarty, 1944).
Erwin Chargaff (bioquímico austríaco-estadounidense, 1905-2002)
descubre en 1950 que los cuatro
nucleótidos no están presentes en
los ácidos nucleicos de diversos organismos en la misma proporción,
como proponía Levene. También
descubre que parecen valer ciertas reglas generales (ahora llamada
reglas de Chargaff): por un lado el
número de nucleótidos conteniendo
la base adenina (A) es igual a aquellos que contienen la base timina (T);
por el otro el número de nucleótidos
que tienen guanina (G) iguala el de
aquellos que contienen citosina (C)
(Chargaff et alt., 1949; Vischer, Zamenhof & Chargaff, 1949).
El primero de estos descubrimientos cardinales mostró que la
teoría de los tetra-nucleótidos de Levene era incorrecta y que la secuencia de bases del ADN era suficientemente rica en arreglos como para
almacenar la información genética
usando algún tipo de codificación.
En efecto, una cadena de N nucleótidos puede arreglarse en 4N formas
distintas (para N=10, ya se tienen
¡1.048.576 combinaciones diferentes!).
33
Sin embargo, Chargaff no advirtió en su momento la relevancia del
segundo de sus descubrimientos,
esto es las igualdades A=T y G=C.
Escribiría: “Una comparación de las
proporciones molares revela ciertas
sorprendentes, pero tal vez sin sentido, regularidades” (Vischer, Zamenhof & Chargaff, 1949). Dichas
enigmáticas igualdades jugarían un
papel clave en la determinación por
Watson y Crick a inicios de 1953 de
la estructura molecular del ADN, la
que a su vez proveería una explicación simple de las mismas.
En 1952, los estadounidenses
Alfred Day Hershey (bacteriólogo
y genetista, 1908–1997) y Martha
Cowles Chase (genetista, 1927–
2003) realizan un experimento fundamental probando que la información genética de los bacteriófagos (y
de todos los otros organismos) reside en el ADN y no en las proteínas
(Hershey & Chase, 1952).
 Parte 2. ADN, la molécula
de la herencia. Historia de
su estructura
2.1. Ver para entender. Difracción de rayos-X: un microscopio de x100.000.000
aumentos que revela detalles a resolución atómica
La visualización de células y de
los procesos de división celular (mitosis) y de síntesis de gametas (meiosis) a nivel macroscópico requiere
una magnificación de unos 10002000 aumentos (ver Fig. 9).
Detalles aún más finos pueden
visualizarse mediante micrografías
electrónicas que, en la práctica,
pueden proveer aumentos de hasta
x106 (ver Fig. 10).
Figura 9: Micrografía óptica (unos 2000 aumentos) mostrando la duplicación de los 46 cromosomas humanos durante la profase de la mitosis
(Guttman et alt., 2004).
Esto puede lograrse con un microscópico óptico o electrónico
cuyo principio de funcionamiento
34
en términos de la óptica geométrica
se esquematiza en la Fig. 11.
A pesar de que la construcción
geométrica parece indicar que el
aumento de un microscopio óptico
puede incrementarse indefinidamente acercando el foco objeto F
a la red, el carácter ondulatorio de
la luz invalida esta noción y limita
la máxima resolución de tal instrumento a la longitud de onda λ de la
luz. Esto es, no podemos ver detalles estructurales a escalas menores
que unos 5000 Å. De esta manera,
si queremos divisar procesos en la
escala atómica y molecular (objetos con una tamaño de unos cien
Figura 10: Micrografía electrónica (unos 100.000 aumentos) mostrando
ADN de células eucariotas en proceso de duplicación durante la interfase de la mitosis (Pierce, 2007).
Figura 11: Reconstrucción de imágenes en microscopios.
millonésimos de centímetros, esto
es, 10-8 cm=1Å), se requiere luz de
λ~1Å, esto es, rayos-X. Sin embargo,
no es posible el diseñar un microscopio de rayos-X por una razón muy
simple: no existen lentes que desvíen luz de alta frecuencia. En efecto, el índice de refracción resulta de
la polarización inducida en el medio por el campo eléctrico del haz
de luz. Para las altas frecuencias de
los rayos-X (unos 1018 ciclos por segundo), aún las partículas cargadas
más livianas, esto es los electrones,
sólo pueden seguir las oscilaciones
del campo excitatriz con una amplitud extremadamente pequeña. Esto
implica una polarización inducida
minúscula en cualquier material y,
consecuentemente, un índice de
refracción que difiere del valor uno
para el vacío en unas pocas partes
en 106.
35
Sin embargo, como ocurre en el
rango óptico, aun tenemos el patrón
de difracción que no requiere de
lentes y el obtener aumentos de x108
se reduce a resolver el problema inverso de reconstruir la densidad de
electrones a partir de la figura de difracción de rayos-X producida por la
dispersión de los mismos.
Ejemplifiquemos el problema inverso mediante el análogo óptico de
la Fig. 12. Allí, el problema consiste en derivar la estructura de la red
(regiones transparentes y opacas a la
luz) a través de su figura de difracción. La amplitud F de la luz dispersada por toda la red consiste en un
Figura 12: Figura de difracción de un arreglo de ranuras idénticas uniformemente espaciadas.
Figura 13: Izquierda. Placa 1: difracción de rayos-X en fibras (orientadas verticalmente) de la sal sódica de ADN
extraído de timo de cabra (NaADN). Placas 2a,b: comparaciones de los patrones de difracción de ADN de cabra
con ADN de arenque. El haz incidente es perpendicular a las fibras y al plano de las placas. Placa 3: difracción
en polvos de ADN de levadura. Derecha: William Thomas Astbury (1898-1961).
36
Figura 14: Izquierda: primeras figuras de difracción de rayos-X en fibras de ADN obtenidas en el King’s College
de Londres. Derecha: Maurice Hugh Frederick Wilkins (1916-2004).
patrón de difracción proporcional al
de una sola ranura muestreado uniformemente a intervalos 1/a, donde
ocurren los máximos de interferencia. Cambios de signo en la amplitud de difracción F indican oscilaciones de la luz en contra-fase. En
la región de rayos-X no se pueden
determinar experimentalmente estos
cambios de signos, sólo la intensidad F2 indicada en la figura (‘Problema de las fases’).
Si la separación entre ranuras
idénticas está distribuida al azar, los
máximos de interferencia desaparecen y sólo queda una figura proporcional a la difracción continua de
una sola ranura.
2.2. Difracción de rayos-X en
ADN. Primeros estudios
Los primeros estudios de difracción de rayos-X en ADN fueron realizados por W. T. Astbury en la Universidad de Leeds, Inglaterra, durante el período 1937-1947 (Astbury,
1947). Los patrones de difracción
fotográficos resultaron demasiado
difusos como para extraer más que
unas pocas dimensiones molecula-
res características del ADN (ver Fig.
13)
2.3. Difracción de rayos-X en
ADN por Wilkins y Franklin
del King’s College de Londres
En el King’s College de Londres,
Inglaterra, y bajo la dirección de su
ex-supervisor de tesis John Randall,
Maurice Wilkins comienza en 1946
un proyecto sobre estudios de ADN
por microscopía UV, visible e infrarroja polarizada, espectroscopia de
absorción infrarroja y difracción de
rayos-X (Wilkins, Gosling & Seeds,
1951; Wilkins, 2003). En colaboración con el doctorando Raymond
Gosling obtiene las primeras fotos
de difracción de ADN extraído de
esperma de arenque (ver Fig. 14).
Las fotos resultan de una calidad
informativa tan pobre como las de
Astbury.
Durante un congreso en Londres,
Wilkins obtiene muestras extremadamente puras de ADN (extraído del
timo de cabra) provistas por el bioquímico suizo Rudolph Signer y la
calidad de las fotos de difracción co-
mienza a mejorar substancialmente.
Vista la relevancia de los estudios por difracción de rayos-X, a
mediados de 1950 Randall contrata por tres años a Rosalind Franklin
(Foto en Fig. 15), una fisicoquímica
con formación en Cristalografía, con
un doctorado de la Universidad de
Cambridge obtenido en 1945.
Franklin había trabajado en la
estructura del carbón mineral y del
grafito, primero en Inglaterra y luego en París, desde donde arribó a
Londres hacia fines de 1950. A pesar de que inicialmente se le había
asignado el estudio de proteínas en
solución, a último momento y con
el acuerdo de Wilkins y la misma
Franklin, Randall cambia su plan de
trabajo a difracción de rayos-X en
fibras de ADN. También acuerdan
que el trabajo del tesista Gosling
pasara a ser supervisado por ella. En
una reunión con Randall y Gosling
cuando Wilkins estaba de vacaciones, Franklin recibe las excelentes
muestras de Signer y el mejor equipamiento de rayos-X del laboratorio,
esto es, el liderazgo de los estudios
sobre difracción en ADN. Esto no es
Figura 15: Rosalind Elsie Franklin
(1920–1958).
lo que Wilkins entendía iba a ser la
participación de ella en el proyecto
y el conflicto que se suscitó entorpeció el desarrollo del mismo.
2.4. Modelado de la estructura molecular del ADN por
Watson y Crick en Cambridge.
Inicialmente interesado en ornitología, James Watson ingresa en
1943 a la Universidad de Chicago a
la edad de 15 años. Influenciado por
la lectura en 1946 del libro de Erwin
Schrödinger titulado What Is Life?
(Schrödinger, 1946), Watson cambió
su interés profesional de la ornitología a la genética. En 1947 obtiene el
grado de BS en Zoología de la Universidad de Chicago. En 1950 (a la
edad de 22 años) completa su PhD
en la Universidad de Indiana bajo la
supervisión del genetista Salvador
Luria. Por ese entonces integraba el
llamado Grupo de los Fagos, liderado por Luria y el físico Max Delbruck, y ya tenía conocimiento del
experimento de Avery, MacLeod y
McCarty de 1944 que sugería que
el ADN y no las proteínas codificaban la información genética. En Sep-
37
Figura 16: Francis Harry Compton Crick (1916–2004) y James Dewey
Watson (1928).
tiembre de 1950 Watson comienza
una estadía por un año como postdoctorando en la Universidad de
Copenhague, Dinamarca, inicialmente en el Laboratorio del bioquímico Herman Kalckar. Éste estaba
interesado en el metabolismo de los
ácidos nucleicos y quería usar fagos como sistema experimental. Sin
embargo, Watson quería explorar
la estructura del ADN y este interés
no coincidía con el de Kalckar. Luego de trabajar parte del año con él,
Watson invirtió el resto del tiempo
en Copenhague realizando experimentos con el fisiólogo microbiano
Ole Maaloe, entonces también un
miembro del Grupo de los Fagos.
Durante los meses de Abril-Mayo de
1951, Watson visita la Estación Zoológica de Nápoles, Italia. Durante la
última semana de su estadía atiende
un congreso sobre la determinación
de la estructura 3-D de moléculas
por métodos de difracción de rayosX. Allí llama su atención una comunicación de Wilkins sobre difracción
de rayos-X en ADN que lo convence
que sólo a través de esta herramienta puede determinarse la estructura
molecular del ácido nucleico. Watson transmite a Luria su interés en
formarse en el empleo de dichos
métodos de cristalografía estructural. Durante el verano de 1951, Luria contacta a John C. Kendrew de
Cambridge y arregla un nuevo proyecto post-doctoral de investigación
(sobre la estructura de la hemoglobina) para Watson en Inglaterra.
Watson arriba a Cambridge en el
otoño de 1951. Con una formación
en Zoología, por aquel entonces un
novicio en cristalografía estructural,
estableció una cordial y altamente
complementaria colaboración con
el físico Francis Crick (Foto de Fig.
16), un brillante cristalógrafo teórico. Crick estaba realizando su trabajo doctoral sobre cristalografía
de proteínas en el grupo de Max
Perutz y John Kendrew del laboratorio Cavendish dirigido por William
Lawrence Bragg. Watson y Crick
deciden dilucidar la estructura molecular del ADN mediante modelización consistente con los datos
experimentales accesibles.
2.5. Nuevos datos y descubrimientos de Franklin
Hasta la incorporación de
38
Franklin al proyecto, se había estado
trabajando esencialmente con fibras
de la sal sódica de ADN (NaADN)
en una forma cristalina poco hidratada (obtenida con una humedad
relativa próxima al 75%) llamada
forma A. En Septiembre de 1951,
Franklin realiza un importante descubrimiento. Controlando cuidadosamente la humedad de las muestras
de ADN encuentra, a partir de los
patrones de difracción colectados
con humedades relativas del orden del 92%, una nueva forma de
ADN que llamó forma B. Más todavía, descubre que las formas A y B
se inter-convierten reversiblemente
(ADN-A ↔ ADN-B) bajo cambio de
humedad (ver Fig. 17). La forma B
origina un patrón de difracción de
unos pocos picos difusos, correspondientes a moléculas de ADN relativamente orientadas según el eje
de la fibra pero desordenadas entre
sí (Franklin & Gosling, 1953a). Este
hallazgo permite explicar el carácter
poco informativo de los difractogramas de rayos-X previos colectados
por Astbury y por Wilkins y Gosling: probablemente trabajaron con
muestras que eran mezclas de las
dos formas. Siguiendo su instinto de
cristalógrafa, Franklin no se interesa
demasiado en la forma B y concentra sus esfuerzos en la forma crista-
lina A con un número mayor y más
preciso de datos.
Para Wilkins y su colaborador el
físico Alec Stokes, sin embargo, el
patrón de difracción de la forma B
era revelador, pues confirmaba una
presunción de Stokes de un año
atrás de que la molécula de ADN era
helicoidal. Durante un viaje en tren,
Stokes había derivado la forma característica de la difracción por una
hélice aislada que indicaba la carencia de reflexiones sobre o cerca
del meridiano del patrón de rayos-X
(a lo largo de la fibra). Este cálculo
acordaba cualitativamente con la figura en X del difractograma observado por Franklin para la forma B.
A mediados de Noviembre 1951
Franklin dicta un seminario en el
King’s College donde describe sus
nuevas fotos de difracción en cristales de NaADN (mejores que las
previas de Wilkins y Gosling) y sus
medidas precisas del contenido de
agua, Watson asiste al seminario y
sólo colecta información memoriosa.
Probablemente, las fibras de
ADN-A empleadas por Franklin
consistían en poli-cristales fuertemente orientados a lo largo del eje
de la fibra (coincidente con el eje-c
cristalográfico vertical en la Fig. 18)
con una distribución angular uniforme de micro-cristales alrededor
del eje. De esta manera, el patrón
de difracción de rayos-X distribuido
en capas obtenido con una muestra
estacionaria de ADN es similar al de
una fotografía de rotación en 360º
de un único mono-cristal (Warren,
1990). Seguramente, el uso de unas
pocas fibras ultra delgadas (18-30
μm) irradiadas por un haz de rayosX fuertemente colimado (100 μm)
contribuyó a reducir sensiblemente
el ancho acumulado en los picos de
difracción y así mejorar la calidad
de los datos fotográficos.
Empleando un ingenioso procedimiento basado en la función
de Patterson (que fuera sugerido a
Franklin en París a fines de 1951 por
su amigo y experimentado cristalógrafo, Vittorio Luzzati), Franklin y
Gosling determinaron a partir de patrones de difracción similares al de
la Fig. 18 la red de Bravais (monoclínica centrada-C) y las correspondientes constantes de celda del NaADN. Luego procedieron a indexar
diversas reflexiones (66) distribuidas
en las nueve capas de red recíproca
perpendicular al eje-c (ver Fig. 18).
Por aquella época, los métodos de
Figura 17: Izquierda: foto de difracción de rayos-X de ADN-A (75% humedad). Centro: foto de ADN-B (92%
humedad). Derecha: comparación de ambos patrones.
resolución estructural a partir de datos de difracción de rayos-X estaban
en su infancia, por no mencionar
las limitaciones en las facilidades
computacionales para realizar las
sumas de Fourier de muchos térmi-
39
nos requeridas en estos métodos. A
pesar de ello, valiéndose de un método diseñado por H. Lipson y C. A.
Beveers en 1936 (Lipson & Beevers,
1936) y empleando una calculadora de escritorio, Franklin y Gosling
realizaron la laboriosa síntesis de los
mapas de Patterson (Franklin & Gosling, 1953b).
2.6. Modelo de tres hélices de
Watson y Crick
Creyendo tener suficientes datos
y basándose en la información memoriosa de Watson sobre el contenido del seminario de Franklin en
Londres de mediados de Noviembre
1951, Watson y Crick construyen
hacia fines de ese mes un modelo
de ADN. El mismo consistía en tres
hélices con los fosfatos hacia dentro
y sus cargas negativas neutralizadas
por iones Mg2+, tal como muestra el
esquema original de la Fig. 19.
Figura 18: Fotografía de difracción de rayos-X de tres fibras (18-30 μm
de espesor) de NaADN deshidratado (humedad relativa del 75%) mostrando la forma cristalina A del ácido nucleico. La foto fue tomada por
Franklin y Gosling luego de una larga exposición (116 h).
Wilkins es invitado a Cambridge
para opinar sobre el modelo. Viaja de inmediato, acompañado por
Franklin y otros colaboradores del
laboratorio. Franklin provee argumentos contundentes que demuelen
el modelo: i) El ión Mg2+ no puede
jugar el rol de neutralizar la repulsión electrostática entre fosfatos negativos vecinos pues en un medio
Figura 19: Esquema del modelo preliminar de ADN de Watson y Crick consistente en tres hélices (se muestran
sólo dos) con las bases proyectándose hacia fuera y los grupos fosfatos hacia el eje helicoidal. La repulsión
electrostática entre las cargas negativas de fosfatos próximos se vería compensada por iones Mg2+ coordinados.
40
biológico estaría rodeado por una
coraza de moléculas de agua; ii) El
ADN está fuertemente hidratado,
contrariamente al modelo propuesto que contiene ¡diez veces menos
agua que el valor experimental!;
iii) La gran afinidad del ADN por el
agua sugiere que los fosfatos (hidrofílicos) deben estar en el exterior, no
en el interior de la molécula.
Enterado del fiasco, Bragg ordena a Watson y Crick que vuelvan a
sus tareas específicas (la estructura
de la hemoglobina) y dejen el estudio estructural del ADN a los investigadores de Londres.
2.7. Una lección relevante de
Cristaloquímica
En un informe de laboratorio
fechado el 7 de Febrero de 1952,
Franklin reporta el indexado tentativo del patrón de la forma A del NaADN en términos de una celda de
Bravais monoclínica C. Los grupos
espaciales posibles para esta cel-
da son cinco: C2, Cm, C2/m, Cc y
C2/c. Durante la primavera de 1952,
Franklin viaja a Oxford donde muestra sus fotos a la cristalógrafa Dorothy Hodgkin y le manifiesta que
había reducido las posibilidades de
grupos espaciales a tres (C2 y, posiblemente, Cm y C2/m). Hodgkin le
señala que dos de ellos (conteniendo planos espejo) no pueden ser,
debido a la quiralidad (propiedad
estructural de una molécula que no
coincide con su imagen especular)
de los azúcares en ADN. Esto deja
a C2 como único grupo espacial.
Como veremos más adelante, la
presencia de ejes de simetría diádicos en ADN-A resultó una pieza de
información clave para Crick en el
modelado del ADN-B.
2.8. Modelo de tres hélices de
Linus Pauling
Desde Caltech en Pasadena, California, USA, surge un poderoso
rival en la carrera por la estructura
del ADN: Linus Pauling. Era un fi-
sicoquímico estadounidense y uno
de los científicos más importantes
del siglo XX. Él mismo se llamaba
cristalógrafo, biólogo molecular e
investigador médico. Fue uno de los
primeros químicos cuánticos, realizando trabajos fundamentales describiendo la naturaleza de los enlaces químicos, por los que recibiría el
Premio Nobel en Química en 1954.
Ya en dos oportunidades anteriores había prevalecido compitiendo
científicamente con Bragg:
i) En 1929 con la estructura
de silicatos, tales como topacio, talco, mica, etc. (Pauling, 1929). Sus
conocimientos en química estructural le dieron a Pauling una ventaja
frente a Bragg en la resolución del
problema. En efecto, Pauling modeló correctamente los silicatos como
integrados por unidades tetraédricas
covalentes de grupos SiO4 (ver Fig.
20). Bragg, por su parte, suponía
que la estructura podría derivarse
del empaquetamiento óptimo de
átomos considerados como esferas
Figura 20: Izquierda: notas de laboratorio de Pauling indicando su metodología en el modelado de la estructura
cristalina de silicatos. Derecha: Linus Carl Pauling (1901-1994).
cargadas de diferentes radios, una
hipótesis que le fue útil en la determinación de la estructura de cristales iónicos, tales como los haluros
alcalinos (NaCl, KCl, etc.).
ii) En 1951 con la estructura
secundaria de hélice-α en proteínas
(Pauling, Corey & Branson, 1951).
Aquí Pauling poseía mayor información sobre cristaloquímica por difracción de rayos-X en aminoácidos
aislados y en cadenas poli-peptídicas cortas (dos y tres aminoácidos).
Estos datos confirmaban la naturaleza plana del enlace peptídico predicho por la teoría de enlaces resonantes que el mismo Pauling había
contribuido a desarrollar (ver Fig.
8). Adoptando de partida esta propiedad molecular, procedió a modelar arreglos helicoidales que optimizaran los enlaces de hidrógeno
N-H…O intra-moleculares. Bragg y
colaboradores (Bragg, Kendrew &
Perutz, 1950), sin embargo, aceptaron la hipótesis errónea de que la
estructura helicoidal debía poseer
un número entero de aminoácidos
por vuelta. También se equivocaron
al relajar la condición de planaridad
de los enlaces peptídicos (Fig. 21).
Basándose en los difusos difractogramas de Atsbury y sin contar con
el acceso a los excelentes datos de
Franklin, en Febrero de 1953 Pauling
publica con Robert Corey un artícu-
41
lo proponiendo una estructura para
el ADN en forma de triple hélice,
con los fosfatos en el interior y las
bases nitrogenadas proyectadas hacia fuera, como muestra la Fig. 22
(Pauling & Corey, 1953).
El 28 de Enero de 1953, Peter
Pauling (entonces doctorando de
John Kendrew en Cambridge), que
compartía la oficina 103 con Watson
y Crick, les alcanza un pre-print con
el artículo del padre (quien había
también enviado una copia a Bragg).
El desasosiego inicial de aquellos se
disipa luego que una rápida lectura
del trabajo indicaba una propuesta
de estructura para el ADN similar a
su frustrado intento de fines de No-
Figura 21: Comparación de las estructuras helicoidales de proteínas propuesta por Pauling, Corey & Branson
(1951) (izquierda: 3.7 péptidos/vuelta) y por Bragg, Kendrew & Perutz (1950) (centro: 4 péptidos/vuelta). Derecha: esquema molecular actual de la estructura secundaria de hélice-α en proteínas.
42
Figura 22: Izquierda: modelo de ADN de tres hélices de Pauling & Corey (1953); los tetraedros esquematizan
grupos fosfatos en el esqueleto poli-nucleótido. Centro: esquema detallando la estructura de una de las tres hélices. Derecha: foto de un modelo molecular 3-D mostrando las bases nitrogenadas proyectándose hacia fuera
de las hélices.
viembre pasado.
2.9. Watson visita a Franklin
y Wilkins en Londres
El viernes 30 de Enero de 1953
Watson visita intempestivamente a
Franklin en su laboratorio londinense para recabarle opinión acerca del
modelo de ADN propuesto en el artículo de Pauling y Corey y establecer
una eventual colaboración. Desalojado de la sala por Franklin, Watson
visita a Wilkins. En el transcurso del
encuentro Wilkins, desprevenidamente y sin el consentimiento o conocimiento de Franklin, le muestra
la mejor foto de la forma B tomada
por ella y Gosling (ver Fig. 23) y que
le alcanzara este último ese mismo
día (Wilkins, 2003).
El examen de la foto impactó
a Watson con la fuerza de una revelación: “En el instante que vi la
foto quedé boquiabierto y mi pulso
se aceleró”, comentaría más tarde
(Watson, 1968, 1981).
Esa noche los dos hombres continuarían discutiendo durante la
cena sobre la posible estructura helicoidal del ADN. Watson continuó
recabando de Wilkins información
cuantitativa derivada de aquella foto
de la forma B, obteniendo algunos
números: el paso de la hélice era de
34.4 Å.
En el tren de regreso a Cambridge, Watson dibuja de memoria el
patrón de difracción en forma de X
en el margen de un periódico. Este
esquema de la Foto 51 de Franklin
sugiere a Crick que se trata de una
hélice y que los datos obtenidos de
Wilkins sobre las dimensiones críticas pueden utilizarse en la construcción del modelo helicoidal para la
forma B.
Los acontecimientos comienzan
a desarrollarse rápidamente. Al día
siguiente, sábado 31 de Enero de
1953, Bragg levanta la ‘moratoria’
a la dupla de trabajar en el ADN y
accede al pedido de Watson de que
el taller del Cavendish le provea representaciones moleculares en escala hechas de chapas y alambres.
El miércoles 4 de Febrero, Watson
retoma el modelado de la estructura
del ADN.
Durante la siguiente semana (914 Febrero 1953), Crick and Watson
confirman la información memoriosa de éste último cuando tienen ac-
43
ceso (facilitado por M. Perutz) a un
informe privado sobre el estado de
avance de las investigaciones en la
unidad de biofísica del King’s College. El mismo fue elevado al Medical
Research Council (MRC) durante la
visita del comité de evaluación realizada el 15 de Diciembre del año
anterior. La sección del informe
con los resultados cuantitativos de
Franklin sobre las formas A y B del
ADN es más que reveladora para
ellos. Allí se detalla la transformación reversible entre ambas formas
bajo cambio del contenido de agua
y, aún más importante para Crick,
información cristalográfica precisa
sobre la forma deshidratada A. Esta
forma cristalizaba en la red de Bravais monoclínica centrada-C, con
las constantes de celda a=22.0 Å,
b =39.8 Å, c=28.1 Å y β= 96.5º y
pertenecía al grupo espacial C2, que
contiene un eje doble.
2.10. Datos de difracción de
Franklin claves en el modelado de la forma B del ADN
El patrón de difracción de rayosX por fibras de ADN-B corresponde
Figura 23: La ahora famosa “Foto 51” con el patrón de difracción de
rayos-X de la forma B fuertemente hidratada (92% de humedad) de NaADN. La foto fue tomada por Franklin y Gosling el viernes 2 de Mayo de
1952 mediante una exposición prolongada (62 h) de una sola fibra de 50
μm de espesor (como el de un cabello). La distancia muestra-film fue de
15 mm y se empleó un colimador de 100 μm de diámetro.
Figura 24: Izquierda: arreglo experimental para difracción de rayos-X en fibras de DNA-B. Derecha: relación
recíproca entre el paso de hélices y sus correspondientes patrones de difracción.
44
al de moléculas de ADN alineadas
pero desordenadas entre sí (ver Secciones 2.1 y 2.5 y Fig. 24).
Para una hélice continua aislada, la amplitud Fn de dispersión
de rayos-X (factor de estructura) de
la n-ésima capa (ver Fig. 24) viene
dada por (Cochran, Crick & Vand,
1952):
Fn = J n (2π kR) exp[in(ψ + π / 2)],
donde J n ( x) es la función de
Bessel (ubicuas en la solución de
problemas físico-matemáticos con
simetría cilíndrica) de orden n, R es
el radio de la hélice, y k y ψ son la
coordenada radial y acimutal de una
posición en el espacio recíproco (de
difracción). Las funciones de Bessel
de los órdenes más bajos se indican
en la Fig. 25.
Figura 25: Primeras tres funciones de Bessel Jn(x).
Así, la intensidad de difracción
de una hélice aislada con una densidad lineal de electrones uniforme
2
resulta proporcional a J n ( x) . La
Fig. 26 muestra el patrón de difracción de la forma B del ADN y su interpretación teórica.
En la Fig. 26, el ángulo de la X
con el ecuador es igual al ángulo
que forma la hélice con el eje de la
misma. Del patrón resulta P=34 Å,
p=3.4 Å y R=10 Å. La ausencia de
la reflexión en la cuarta capa sugiere
la presencia de una segunda hélice
idéntica desplazada en 3/8P a lo largo del eje que produce efectos de
interferencia destructiva (extinciones sistemáticas) en las capas con n
= 4, 12, 20, etc.
Watson y Crick tenían ahora valiosas piezas de información experimental, cruciales para la elaboración de su modelo para la forma B
del ADN:
Figura 26: Interpretación de la Foto 51 de Franklin en términos de la
intensidad de difracción calculada, correspondiente a una hélice aislada
de paso P y con una densidad lineal de electrones constante. La intensa
difracción meridional que se observa a alto ángulo se debe a la fuerte reflexión por parte de las bases nitrogenadas, apiladas con una separación
uniforme p entre ellas.
a) El polímero ADN se encuentra
arreglado en forma de hélices.
b) Los fosfatos se encuentran en el
exterior de la hélice a unos 10 Å
de su eje.
c) Las bases se disponen hacia el interior de la hélice, son paralelas
y uniformemente separadas en
3.4 Å entre sí (como una pila de
platos).
d) El paso de la hélice es de unos
34 Å y, por lo tanto, comprende
unos 10 nucleótidos por vuelta.
e) Haciendo la suposición razonable que la forma-A cristalina del
ADN tenia la misma conformación (topología) básica que la
forma-B más hidratada, entonces
el grupo espacial C2 determinado por Franklin para el cristal
sugirió claramente a Crick una
característica estructural funda-
mental para el ADN: debe tratarse de dos hélices enrolladas
alrededor de un eje común con
sus marcos de fosfato-ribosa polimerizados aproximadamente
relacionados entre sí por un eje
doble perpendicular al eje de la
molécula. Consecuentemente, el
par de hélices tienen sus respectivos esqueletos moleculares corriendo en direcciones opuestas,
una en la dirección 3’à5’ de los
carbonos del azúcar, la otra en la
orientación 5’à3’ (ver Fig. 7).
45
g) Para la conformación 3-D de los
nucleótidos aislados, disponían
de la estructura cristalográfica determinada en 1949 por S.
Furberg del Birkbeck’s College
de Londres (Furberg, 1950). Este
trabajo muestra la importante
característica molecular que las
bases son prácticamente perpendiculares al plano medio del azúcar ribosa, contrariamente a la
conclusión derivada por Astbury,
a partir de difracción de rayosX en fibras de ADN, que dichos
planos eran paralelos entre sí.
f) Las dos hélices están desplazadas
entre sí en 3/8 del paso común P.
Figura 27: Izquierda: apareamiento igual-con-igual de las bases. Derecha: modelo preliminar de Watson y Crick
(no muestra la consecuente variación en el diámetro de la molécula).
46
2.11. Arreglo de las bases nitrogenadas
Para completar el modelo restaba determinar el arreglo de las
bases. Entendiendo que las bases
que se proyectaban hacia el centro
desde los esqueletos helicoidales a
lados opuestos del eje sólo pueden
estar vinculadas a través de puentes de hidrógeno, Watson comenzó
a aparear las cuatro bases en todas
las combinaciones posibles. Notó a
partir de modelos moleculares que
las bases igual-con-igual se aparean
mediante un par de puentes de hidrógeno (ver Fig. 27) y propuso un
modelo estructural para el ADN y un
mecanismo para su replicación. Sin
embargo, el tamaño de las asociaciones diméricas de bases variaba
grandemente en tamaño, hecho que
se reflejaría en un arrollamiento ci-
líndrico con protuberancias y adelgazamientos (como ocurre con una
pila de monedas de diferentes valores). Esto contrariaba la regularidad
observada en la Foto 51 de Franklin,
que implicaba un enrollamiento cilíndrico con un diámetro relativamente constante.
Una circunstancia fortuita por
un lado descalificaría su modelo,
mientras que por el otro indicaría
el camino para encontrar el apareamiento correcto de las bases. En
un escritorio de la oficina 103 que
ocupaban Crick y Watson estaba
Jerry Donohue, un competente cristalógrafo que había sido estudiante
graduado de Pauling en Caltech y se
encontraba realizando un post-doctorado en el Cavendish. Donohue le
hizo notar a Watson que los modelos
moleculares que estaba usando para
las bases timina y guanina (tomados
del libro de J. N. Davidson sobre The
Biochemistry of the Nucleic Acids),
esto es las formas enólicas (ver Fig.
27), eran incorrectos y le sugirió el
empleo de la formas cetónicas (ver
Fig. 28) que liberaban un oxigeno
para actuar como aceptor de un
puente de hidrogeno adicional.
Con esta nueva información, y
sin esperar que el taller del Cavendish completara los modelos metálicos en escala de las bases A, T, C y
G, a mediados de Febrero de 1953
Watson retomó el modelado del
ADN empleando representaciones
moleculares recortadas en cartón.
Luego de intentos infructuosos asociando bases igual-con-igual, logró
el posicionamiento correcto de las
bases opuestas vinculadas a través
de enlaces de hidrógeno optimizados que estabilizan la estructura de
doble hélice (ver Fig. 29). Otros apareamientos de bases tienden a desestabilizar dicha estructura.
2.12. Regla de Chargaff A=T y
G=C explicada. Copiado de la
información genética
El aspecto más importante de la
asociación en pares de las bases es
que sólo ciertos pares pueden formar parte de una doble hélice de
diámetro uniforme. Un miembro
del par debe ser una base de mayor tamaño purina y, complementariamente, la otra la más pequeña
pirimidina. Si (como en el frustrado
modelo previo de Watson y Crick) el
par consistiera de dos purinas, la hélice mostraría allí un ensanchamiento; si consistiera en dos pirimidinas,
la hélice tendría un estrechamiento.
La optimización de los enlaces de
hidrógeno llevaría a una restricción
adicional: los únicos pares de bases
posibles son
Figura 28: Relación entre las formas enólicas y cetónicas de timina y
guanina.
Adenina (A) con Timina (T)
47
¡Todas las piezas del rompe-cabezas caían ahora maravillosamente
en su lugar! La dupla pudo entonces
completar rápidamente su modelo
3-D (ver Fig. 30) y ser los primeros en
admirar la elegancia con que la Naturaleza había diseñado la arquitectura molecular del código genético.
Ellos propusieron que la molécula
de ADN toma la forma de una doble
hélice dextrógira (como la espiral de
un tirabuzón común) que recuerda
una escalera algo retorcida a lo largo de su extensión. Las barandas de
la escalera están hechas de grupos
químicos fosfato y azúcar deoxirribosa ligados covalentemente entre
sí y dispuestos de manera alternada
para formar una estructura polimérica. Los peldaños están compuestos de un par de bases nitrogenadas
(que se proyectan hacia el eje de la
hélice desde sendos azúcares sobre
hélices opuestas) enlazadas entre sí
por puentes de hidrógeno.
Figura 29: Apareamiento optimizado de las bases nitrogenadas A=T y
G=C vía puentes de hidrógeno (Watson et alt., 2006). El puente (guanina)
N-H…O=C(citosina) no fue tenido en cuenta en el modelo original de
Watson y Crick. Notar que el apareamiento confiere al ADN una serie de
pseudo-ejes dobles (o ejes diádicos) de simetría (línea en rojo), pasantes
por el centro de cada par de bases y perpendiculares al eje común de
las hélices.
Guanina (G) con Citosina (C)
Como un bono inesperado, esta
propiedad estructural explicaba un
enigmático resultado experimental,
la llamada regla de Chargaff. A pesar que el porcentaje de las bases
Fuente de ADN
nitrogenadas variaban ampliamente
de una especie a otra, sin embargo,
las relaciones molares A/T y G/C
eran siempre muy próximas a uno,
tal como lo sugiere la tabla siguiente
(adaptada de Chargaff et alt., 1949).
Adenina
(A)
Timina
(T)
Guanina
(G)
Citosina
(C)
Timo de cabra
1.7
1.6
1.2
1.0
Bazo de vaca
1.6
1.5
1.3
1.0
Levadura
1.8
1.9
1.0
1.0
Bacilo de la
tuberculosis
1.1
1.0
2.6
2.4
Era el sábado 28 de Febrero de
1953. De acuerdo con Watson (Watson, 1968, 1981), a la hora del almuerzo Crick entró exultante en
“The Eagle” (una ‘pub’ cercana al
laboratorio) y anunció a quien pudiera oírle que habían encontrado el
secreto de la Vida.
Convencidos de la corrección
de tan atractivo modelo hipotético y
sin pruebas experimentales propias
que lo sustenten, Watson y Crick
escriben rápidamente el 2 de Abril
de 1953 los resultados en un sucinto artículo titulado “A Structure for
Deoxyribose Nucleic Acid” (“Una
Estructura para el Ácido Deoxi Ribonucleico”) y lo envían para su
publicación a la prestigiosa revista
Nature (Watson & Crick, 1953a). No
reconocen el empleo de información experimental clave producida
por Franklin o Wilkins mas allá de
declarar el haber sido estimulados
por el conocimiento de la ‘naturaleza general de resultados experi-
48
Figura 30: Izquierda: Modelo original en escala de Watson y Crick de la molécula de ADN-B (hecho de alambres
y chapas). La tira horizontal al pie del modelo indica la magnificación del mismo y corresponde a una longitud
de 10 Å. El modelo se extiende verticalmente un paso de la hélice (unos 34 Å). Derecha: esquema original del
ADN (adaptado de Watson & Crick, 1953).
mentales e ideas no-publicadas de
Wilkins, Franklin y sus colegas del
King’s College de Londres’.
Mediante un arreglo entre los directores del Cavendish (Bragg) y del
grupo del King’s College (Randall)
con el Editor de Nature, se acordó
en que los resultados de Wilkins
(Wilkins, Stokes & Wilson, 1953) y
Franklin (Franklin & Gosling, 1953c)
se publicaran separadamente en el
mismo volumen (Nature, Vol. 171,
April 1953), siguiendo el articulo de
Watson y Crick.
La estructura de doble hélice con
apareamiento específico entre bases
propuesta tendría una implicancia
aún más extraordinaria en desentrañar el mecanismo molecular por
el cual durante millones de años los
organismos se desarrollaban y reproducían. Tan extraordinaria que
Watson no se atrevió a explicitarlo
en el primer artículo en Nature, a
pesar de la opinión en contrario de
Crick (Crick, 1974, 1989). Los autores alcanzaron una solución de
compromiso que reza: “No ha escapado a nuestra consideración que
el apareamiento específico postulado sugiere inmediatamente un posible mecanismo de copiado de la
información genética”. Los autores
dejaron rápidamente de lado esta
hesitación y poco después publicaron las importantes consecuencias
genéticas implicadas por su modelo
(Watson & Crick, 1953b). La Fig. 31
muestra (esquemáticamente) el mecanismo propuesto de duplicación
del ADN.
49
Fisiología o Medicina “por su descubrimiento relacionado con la estructura molecular de ácidos nucleicos y
su importancia para la transferencia
de información en la materia viva”.
En sus respectivas conferencias Nobel, Watson, Crick y Wilkins realizaron 83, 23 y 24 citaciones, ninguna
de Franklin. Sólo Wilkins incluyó a
ella en sus reconocimientos (http://
www.nobelprize.org/nobel_prizes/
medicine/laureates/1962/).
Figura 31: Mecanismo de duplicación del ADN (Watson et alt., 2006).
2.13. Epílogo
Favorecidos por desinteligencias
entre Franklin y Wilkins del grupo
del King’s College de Londres, el acceso a la excelente información experimental producida por Franklin y
Gosling, la momentánea desorientación de Pauling en Caltech en la
determinación de la estructura del
ADN, y algunas circunstancias for-
tuitas, Crick y Watson estuvieron en
condiciones de ‘tomar un atajo’ al
problema, proponiendo un modelo
molecular que resultó, esencialmente, correcto. De esta manera ganaron, en una suerte de ‘sprint final’, la
no-declarada carrera por la estructura de la molécula biológica más importante y así la inmortalidad científica. En 1962 Watson, Crick y Wilkins recibieron el Premio Nobel en
Existe la opinión generalizada
que el Premio Nobel debió habérsele otorgado también a Rosalind
Franklin, en razón que sus datos experimentales fueron una clave muy
importante en la resolución de la
estructura del ADN. Sin embargo,
Franklin falleció de cáncer en 1958
y el Premio Nobel no se otorga postmortem; así que el Premio de 1962
estaba fuera de cuestión. Pero ella
pudo haber sido nominada en vida.
Los archivos Nobel que, entre otra
información, contienen las nominaciones relacionadas con los galardones se mantienen cerrados durante
un cierto tiempo después que un
premio particular ha sido otorgado.
Así, en 2008 fue posible el encontrar si Rosalind Franklin fue alguna
vez nominada para el Premio Nobel
en relación con sus trabajos sobre el
ADN. La respuesta es que nadie la
nominó ni para el Nobel en Fisiología o Medicina o el de Química
(http://nobelprize.org/educational_
games/medicine/dna_double_helix/
readmore.html).
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DNA. Norton & Company, New
York.
NOTA PROVISTA POR EL CONICET
El 98 por ciento de los doctores formados por el CONICET tiene empleo
Según un informe dado a conocer
por este organismo científico acerca de la inserción de doctores, sólo
un 1 por ciento de estos ex-becarios
no tiene trabajo o no poseen ocupación declarada y un 10 por ciento
posee remuneraciones inferiores a un
estipendio de una beca doctoral.
Asimismo, proyecta que el 89 por
ciento de los encuestados tiene una
situación favorable en su actividad
profesional, pero sobre todo asegura
que más del 98 por ciento de los científicos salidos del CONICET consigue
trabajo.
Los datos surgidos del estudio
“Análisis de la inserción laboral de
los ex-becarios Doctorales financiados por CONICET”, realizado por la
Gerencia de Recursos Humanos del
organismo, involucró 934 casos sobre
una población de 6.080 ex-becarios
entre los años 1998 y el 2011.
Al respecto, en el mismo se considera que del número de ex-becarios
consultados, el 52 por ciento (485 casos), continúa en el CONICET en la
Carrera del Investigador Científico y
Tecnológico.
De los que no ingresaron en el
organismo pero trabajan en el país,
sobre 341 casos, el 48 por ciento se
encuentra empleado en universidades
de gestión pública y un 5 por ciento
en privadas; el 18 por ciento en empresas, un 6 por ciento en organismos
de Ciencia y Técnica (CyT), un 12 por
ciento en la gestión pública y el resto
en instituciones y organismos del Estado.
En tanto, en el extranjero, sobre
94 casos, el 90 por ciento trabaja en
universidades, el 7 por ciento en empresas y el 2 por ciento es autónomo.
El mismo informe traduce que la
demanda del sector privado sobre la
incorporación de doctores no es aún
la esperada, pero está creciendo. La
inserción en el Estado, si se suma a las
universidades nacionales y ministerios, se constituye en el mayor ámbito
de actividad. Frente a ello, a los fines de avanzar
en la inserción en el ámbito publicoprivado el CONICET realiza actividades políticas de articulación con otros
organismos de CyT, es decir, universidades, empresas, a través de la Unión
Industrial Argentina (UIA), y en particular con YPF que requiere personal
altamente capacitado en diferentes
áreas de investigación.
Desde el CONICET se espera que
en la medida que la producción argentina requiera más innovación, crecerá
la demanda de doctores. Para cuando
llegue ese momento el país deberá
tener los recursos humanos preparados para dar respuestas. Es por ello se
piensa en doctores para el país y no
solamente doctores para el CONICET.
Programa +VALOR.DOC
Sumar doctores al desarrollo del
país
A través de esta iniciativa nacional,
impulsada por el CONICET y organismos del Estado, se amplían las posibilidades de inserción laboral de profesionales con formación doctoral
El programa +VALOR.DOC bajo
el lema “Sumando Doctores al Desarrollo de la Argentina”, busca vincular
los recursos humanos con las necesidades y oportunidades de desarrollo
del país y fomentar la incorporación
de doctores a la estructura productiva,
educativa, administrativa y de servicios.
A partir de una base de datos y herramientas informáticas, se aportan recursos humanos altamente calificados
a la industria, los servicios y la gestión
pública. Mediante una página Web,
los doctores cargan sus curriculum vitae para que puedan contactarlos por
perfil de formación y, de esta manera,
generarse los vínculos necesarios.
Con el apoyo del Ministerio de
Ciencia, Tecnología e Innovación Productiva, este programa tiene como objetivo reforzar las capacidades científico-tecnológicas de las empresas,
potenciar la gestión y complementar
las acciones de vinculación entre el
sector que promueve el conocimiento
y el productivo.
+VALOR.DOC es una propuesta
interinstitucional que promueve y facilita la inserción laboral de doctores
que por sus conocimientos impactan
positivamente en la sociedad.
Para conocer más sobre el programa www.masVALORDoc.conicet.gov.
ar.

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Transcripción

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